Een gevaarte van 14 meter lang, met honderdduizenden onderdelen en een prijskaartje van 400 miljoen euro. Je zou denken dat ASML’s High-NA-lithografiemachine na ruim tien jaar onderzoek en ontwikkeling een perfect werkend apparaat is. Maar omdat de ingenieurs in het allereerste ontwerp water bij de wijn moesten doen, wacht de machine nu een ingrijpende upgrade.
De chipmachinemaker kondigde deze dinsdag aan een coalitie van fabrikanten te hebben gevormd die samen een technische stap in de productie van de meest geavanceerde chips zullen nemen. De Taiwanese chipgigant TSMC speelt daarin een belangrijke rol, ASML’s grootste klant, maar ook Intel en Samsung en andere geheugenchipmakers doen mee aan het initiatief. De planning is dat de High-NA-machine over vijf jaar overweg kan met grotere ‘maskers’ – de blauwdrukken met het chippatroon. Het apparaat zal dan een stuk sneller werken. „We verwachten dat High NA daardoor sneller omarmd gaat worden”, aldus ASML-topman Christophe Fouquet in een toelichting.
Lees ook
High-NA: zo bouwt ASML het grootste kopieerapparaat ter wereld. Wie gaat ’m kopen?
Hoe werkt het? Een lithografiemachine is een complex kopieerapparaat voor chips. Het licht valt eerst op een masker, daarna belandt de projectie op een fotogevoelige laag op een siliciumschijf, of wafer. Dit proces wordt herhaald tot de hele wafer is bedrukt. ASML is vooralsnog de enige fabrikant die erin slaagt hiervoor extreem ultraviolet licht (EUV) in de zetten. Dit heeft een korte golflengte en kan daardoor fijnmaziger patronen tekenen, zodat transistors dichter bij elkaar kunnen worden geplaatst. Moderne chips van Apple, Nvidia of Intel bevatten tientallen miljarden transistors, opgebouwd uit lijntjes die slechts enkele tientallen nanometers – miljoensten van een millimeter – uit elkaar liggen.
EUV is er in twee smaken: Low-NA, met kleinere lenzen, en nieuwere High-NA-systemen, met grotere lenzen die nog kleinere details kunnen projecteren. Op één terrein moest ASML inleveren: het belichtingsveld is bij High-NA veel kleiner dan bij een gangbare EUV-machine. Daardoor duurt het langer voordat de hele wafer is beschreven: alsof je een muur moet schilderen met een smalle kwast in plaats van met een brede roller.
ASML compenseert dat tijdverlies door de snelheid in de machine op te voeren. Maar grotere chipontwerpen, met name voor moderne AI-chips, moeten voor High-NA eerst in tweeën worden geknipt en daarna in een extra lithografiestap weer aan elkaar worden ‘geplakt’. Daarvoor is een oplossing: gebruik een groter masker. Het High-NA-masker wordt twee keer zo lang – 12 bij 6 inch – als het huidige formaat van 6 bij 6 inch. Die verandering klinkt simpel, maar heeft toch nogal wat voeten in de aarde omdat de hele chipindustrie mee moet in die wijziging. De halfgeleiderindustrie leunt nu eenmaal op intensieve samenwerking: geen enkel bedrijf kan in zijn eentje nieuwe technologie erdoor drukken – ook de marktleider in lithografie niet.
Maatje groter
ASML moet zijn chipmachine nu zelf ook aanpassen. Waarom deed het bedrijf dat niet meteen, bij het vastleggen van het ontwerp? Toen de ASML-ingenieurs rond 2014 de High-NA-machine uittekenden, wilden zij niet afhankelijk zijn van externe partijen, zoals fabrikanten van de maskers. Die markt is nogal gefragmenteerd: er zijn veel kleine spelers met beperkte budgetten, die niet zo maar een nieuwe techniek zullen omarmen. En EUV werkte destijds nog niet.
Inmiddels is ook High-NA door alle grote chipmakers geaccepteerd. Zij willen graag een maatje groter projecteren – schilderen met een grote kwast. Nu ASML en TSMC een coalitie hebben gesmeed en afzet garanderen, zullen de maskerproducenten zich ook achter het grotere formaat scharen, is de verwachting.
ASML behaalde in het afgelopen kwartaal een omzet van 9,3 miljard euro, waarvan 6,6 miljard euro uit de verkoop van chipmachines. Daarvan was 57 procent afkomstig uit de verkoop van EUV-machines. Op dit moment is Intel nog de enige speler die High-NA-machines inzet om op grote schaal chips te maken, naast de productielijnen met gewone EUV-machines. Andere chipmakers experimenteren alleen nog met High-NA, zoals de labs van imec in het Belgische Leuven en in Albany, in de Verenigde Staten.
De grootste chipmaker, TSMC uit Taiwan, wil High-NA vanaf 2030 voor massaproductie inzetten. Tot die tijd past TSMC multipatterning toe: een truc om fijnmazige patronen in meerdere stappen te tekenen, alsof je in een boek extra regels in de witregels schrijft. Vanaf 2033 moet de massaproductie van chips met de grotere maskermaten beginnen.
Twintig nieuwe fabrieken
TSMC is hofleverancier voor de meest geavanceerde chipontwerpers, zoals Nvidia, Apple, Google en AMD. Het bedrijf bouwt op dit moment twintig fabrieken, hoofdzakelijk in Taiwan. Door de sterk gestegen vraag naar chips voor AI-toepassingen verwacht TSMC bijna twee keer zoveel uit te geven aan chipmachines, vertelde operationeel directeur Cliff Hou vorige week tijdens een conferentie in Taiwan.
De AI-markt heeft behoefte aan veel meer rekenkracht dan de chipindustrie kan leveren. Het ‘krimpen’ van transistors gaat minder snel dan voorheen, daarom worden chips groter. Ontwerpers stapelen onderdelen op elkaar om toch meer rekenkracht en opslagcapaciteit op hetzelfde oppervlak te proppen. In China lopen chipfabrikanten eerder tegen die krimplimiet aan, omdat er wegens exportrestricties geen EUV-machines naar dat land mogen. Daarom zetten Chinese chipmakers multipatterning in en stapelen ze chipontwerpen op slimme manieren.
China probeert ondertussen ook EUV-achtige lithografie te ontwikkelen. Onder meer Huawei en universiteiten in Beijing en Shanghai doen onderzoek naar nieuwe lichtbronnen voor chipmachines. Het is onduidelijk wanneer die techniek op grote schaal in chipfabrieken ingezet kan worden.
Intussen suggereert Elon Musk dat hij zijn zinnen heeft gezet op een alternatieve lichtbron voor EUV-machines. Hij wil een Terafab bouwen, een extreem grote chipfabriek in Texas. ASML produceert EUV-licht door tindruppeltjes te laten exploderen, Musk overweegt in plaats daarvan een vrije-elektronenlaser in te zetten. Dat is een soort deeltjesversneller die meerdere lithografiemachines van EUV-licht kan voorzien. Voorlopig is dat nog toekomstmuziek.
Geef cadeau
Deel
Mail de redactie